En septembre 2002, l’´equipe de Paul Indelicato du Laboratoire Kastler Brossel et l’´equipe de Dominique Vernhet et Jean-Pierre Rozet de l’INSP ont fait l’acquisition conjointement d’une source ECR SuperNanogan de la marque Pantechnik [28]. Notre groupe au LKB avait pour objectif d’´etudier les rayons X ´emis par la source ainsi que les ´etats m´etastables que l’on
pou-Figure 1.4: Gauche:Vu de profil de l’hexapˆole d’une source ECR et de ses lignes de champ. Droite: Image du plasma `a l’int´erieur de la chambre de la source
Figure 1.5: Forme du potentiel du plasma le long de l’axe radial. Sch´ema issu de la th`ese de M. Trassinelli [36].
vait en extraire. Quant au groupe de l’INSP, leur objectif ´etait l’utilisation des ions tr`es charg´es pour des exp´eriences d’interaction ion-surface. La source d’ions a ´et´e baptis´ee SIMPA, pour Source d’Ions Multicharg´es de Paris.
La source ECR SIMPA 21
Pr´esentation g´en´erale de la source SIMPA
Dispositif exp´erimental La source SIMPA fonctionne `a une fr´equence micro-ondes de 14,5 GHz . Le confinement magn´etique du plasma est as-sur´e par des aimants permanents: deux aimants cylindriques pour le con-finement axial du plasma et un aimant hexapˆolaire pour son confinement radial. L’injection des micro-ondes et des gaz se fait par un cube en cuivre perpendiculairement `a l’axe de la source. Une ligne de transfert compos´ee de deux tubes coaxiaux de longueurs diff´erentes permet le transport des micro-ondes et du gaz jusqu’`a la chambre plasma. Le tube int´erieur de cette ligne de transfert est en cuivre et constitue l’´electrode de polarisation qui fournit des ´electrons au plasma (voir la figure 1.7). Le pompage de la source est assur´e par deux pompes turbo-mol´eculaires situ´ees respective-ment `a l’entr´ee de la source (vitesse de pompage: 40l/s) et `a la sortie de la source (vitesse de pompage: 500 l/s). Ce syst`eme permet d’atteindre un vide de l’ordre de 10−7 mbar lorsque aucun gaz n’est inject´e. La figure 1.6 montre une photo de la source et la figure 1.7 en donne une repr´esentation sch´ematique.
Figure 1.6: Source ECR SuperNanogan fonctionnant `a 14,5 GHz avec un rapport miroir d’environ 2,4 et une tension d’extraction pouvant aller jusqu’`a 34kV
Figure 1.7: Repr´esentation sch´ematique de la source SIMPA. Sch´ema issu de la th`ese de N. Adrouche [1].
Champ magn´etique de confinement Une exploration du champ magn´etique axial de la source a ´et´e effectu´ee `a l’aide d’un magn´etom`etre. La figure 1.8 met bien en ´evidence la configuration dite en champ minimum, avec un champ minimum pour la bouteille magn´etique de 469 mT, un champ maxi-mum en injection de 1182 mT et un champ maximaxi-mum en extraction de 970 mT. Nous rappelons que l’int´erˆet d’avoir un champ maximum en extraction inf´erieur au champ maximum en injection est de permettre une meilleure extraction des ions. Le rapport miroir de la structure magn´etique a ainsi pu ˆetre mesur´e, il est de 2.52 `a l’injection et de 2.07 `a l’extraction. Avec une fr´equence de 14,5 Ghz les ´electrons rentrent en r´esonance avec un champ magn´etique de 518 mT (cf. Eq. 1.5). Cela nous permet de conclure en se r´eferant `a la courbe du champ magn´etique axial que la longueur du plasma est d’environ 34 mm. Une description d´etaill´ee de la m´ethode de mesure peut se trouver dans la th`ese de Nacer Adrouche [1].
Injection des micro-ondes Les ondes hautes fr´equences de 14,5 GHz inject´ees dans la source sont produites par un klystron qui peut atteindre une puissance de 2000 watts. Le klystron est utilis´e comme un amplificateur de micro-ondes. Les micro-ondes sont conduites jusqu’`a la source par un guide d’onde rectangulaire connect´e au cube d’injection en cuivre. Les micro-ondes passent `a travers un tube en cuivre. On dispose d’un piston
La source ECR SIMPA 23
Figure 1.8: Repr´esentation sch´ematique de la source SIMPA. Sch´ema issu de la th`ese de N. Adrouche [1].
(tuner) mˆu par un moteur command´e ´electroniquement sur le cˆot´e du cube et qui permet d’optimiser le couplage entre le plasma et les micro-ondes. La figure 1.9 montre une simulation de la propagation des micro-ondes `
a l’int´erieur de la chambre plasma. Cette simulation a ´et´e r´ealis´ee par A. Bleiker et L. Stingelin du groupe d’hyperfr´equences de l’Institut Paul Scherrer [5].
La figure 1.9 repr´esente le principe de fonctionnement d’un klystron. Un canon `a ´electrons produit des ´electrons qui sont confin´es par un champ magn´etique axial puis acc´el´er´es jusqu’`a une premi`ere cavit´e (”Buncher”). Lors de leur passage dans la premi`ere cavit´e, l’intensit´e du faisceau d’´electrons est modul´ee par un signal RF faible, ainsi des paquets d’´electrons (”Bunchs” d’´electrons) sont cr´ees et sont attir´es par une anode positive (collecteur) `a l’autre bout de la chambre de r´esonance. Lors de leur passage dans la cham-bre de r´esonance (Zone entre les deux cavit´es) les ´electrons ´emettent des ondes stationnaires `a la mˆeme fr´equence que le signal RF inject´e, le signal ´
emit est r´ecup´er´e dans une seconde cavit´e (”Catcher”).
Performances en Extraction de la source SIMPA `a 14 kV
et avec une chambre plasma en cuivre
Dans cette partie, nous allons d´ecrire bri`evement les performances de la source SIMPA avec une tensions d’extraction `a 14kV et une chambre plasma en cuivre. Ces r´esultats ont ´et´e obtenus pendant ma premi`ere ann´ee de th`ese. Nous avons pu tester la source avec des gaz d’Argon (Z = 18, A = 40) et de Krypton (Z = 36, A = 84) avec Z le nombre de charge et A le nombre
Figure 1.9: Propagation des micro-ondes du cube en cuivre jusqu’`a la cham-bre plasma. Les micro-ondes sont repr´esent´ees en jaune-vert.
de nucl´eons. Nous d´ecrirons les performances de la source SIMPA pour ces deux gaz lorsque le gaz support utilis´e est de l’oxyg`ene (Z = 8, A = 16). Dans une premi`ere partie, nous pr´esenterons le dispositif exp´erimental, en d´ecrivant la ligne de transport des ions, puis dans une seconde partie nous d´etaillerons les r´esultats obtenus.
Description de la ligne de transport `a 14 kV
Extraction des ions Les ions sont extraits du plasma par un champ ´electrique, via deux ´electrodes cylindriques coaxiales, les ´electrodes d’extraction. Une diff´erence de potentiel entre le plasma et les ´electrodes d’extraction est cr´e´ee afin d’extraire les ions, cette diff´erence de potentiel peut attein-dre jusqu’`a 34 kV, pour une extraction optimale. En effet, Le corps de la source peut ˆetre soumis `a un potentiel maximal de 20 kV. L’´electrode int´erieure des deux ´electrodes d’extractions peut ˆetre soumise `a un potentiel n´egatif maximal de 14 kV. La seconde ´electrode d’extraction est quant `a elle toujours mise `a la masse. Les tests ont ´et´e effectu´es avec un potentiel
La source ECR SIMPA 25
Figure 1.10: Principe de fonctionnement d’un klystron : Un faisceau d’´electrons modul´e en vitesse par un faible signal RF r´emet un signal RF beaucoup plus important
de 14 kV sur le corps de la source, les ´electrodes d’extraction restant `a la masse. De plus, pour optimiser l’intensit´e du faisceau d’ions extrait, un dispositif m´ecanique a ´et´e mis en place qui permet de modifier la position axiale des ´electrodes d’extractions par rapport au corps de la source, mais aussi leurs positions l’une par rapport `a l’autre. Juste apr`es les ´electrodes d’extraction, un sol´eno¨ıde (voir Fig. 1.11 ) permet de focaliser le faisceau d’ions, un champ magn´etique longitudinal pouvant atteindre 0.4 Tesla peut ainsi ˆetre produit.
Mesure du courant Apr`es focalisation par le sol´eno¨ıde, le faisceau est selectionn´e en ´etat de charge et en masse `a travers un dipˆole magn´etique. Un champ magn´etique intense (jusqu’`a 0.3 Tesla) est produit et donne une trajectoire circulaire aux ions. Le rayon de courbure r de cette trajectoire d´epend du champ magn´etique B, du rapport charge sur masse des ions q/m et de l’´energie cin´etique des ions. En utilisant un jeu de fentes m´etalliques apr`es le dipˆole (voir jeu de fentes (2) sur la figure 1.11), on peut s´electionner pr´ecis´ement les ions que l’on veut conduire en bout de ligne :
B ∝ 1r
s
mV
Figure 1.11: Ligne de transport du faisceau qui a servit `a la caract´erisation des performances de la source `a 14 kV avec une chambre plasma en cuivre
o`u V est le potentiel d’extraction des ions. Par la suite les ions sont refo-calis´es `a l’aide d’une lentille de Einzel cylindrique. Le courant ainsi extrait peut ˆetre mesur´e `a l’aide d’une cage de Faraday muni d’un anneau de garde, si les courants sont sup´erieurs `a environ 0.1µA. Pour mesurer des courants plus faibles, nous avons utilis´e un int´egrateur de courant en accumulant le courant sur la cage de Faraday pendant de longues p´eriodes de temps (plusieurs dizaines de minutes), ainsi des courants de l’ordre de plusieurs dizaines de pA ont pu ˆetre mesur´es.
Chambre d’interaction Une chambre d’interaction est plac´ee apr`es la cage de Faraday et permet de faire interagir le faisceau d’ions soit avec un jet de gaz, soit avec un jet d’agr´egats, soit avec une cible solide. L’interaction du faisceau d’ion avec une cible permet d’´etudier les interactions ion-surface ou encore les collisions ions-atomes. Le r´esultat de cette interaction permet aussi de mieux caract´eriser le faisceau d’ions en analysant les radiations
La source ECR SIMPA 27
´
emises pendant la collision. Quand un ion entre en collision avec une cible, il capture un ou plusieurs ´electrons ce qui produit une cascade radiative dans l’ion. L’´energie des photons ´emis d´epend fortement de l’´etat de charge initial de l’ion et mesurer leurs ´energies permet de mieux caract´eriser l’ion. En particulier, cette m´ethode est tr`es utile dans la d´etection de faisceaux d’ions peu intenses, ou encore pour distinguer des ions qui ont des rapports charge sur masse tr`es proches et qui sont donc difficilement s´eparables par le dipˆole magn´etique, les cascades radiatives pouvant servir de signature pour les ions.
R´esultats
Param`etres d’optimisation de la source Afin d’optimiser la pro-duction de courant tout en assurant une bonne stabilit´e, nous pouvons agir sur plusieurs param`etres. Pour ce faire, il faut s´electionner un ´etat de charge avec le dipˆole magn´etique et faire varier les param`etres de la source afin de recueillir un courant maximum sur la cage de Faraday en bout de ligne. Nous allons maintenant r´ecapituler l’ensemble des param`etres et d´ecrire leurs effets.
• Gaz support Un des param´etres les plus importants est la propor-tion entre la quantit´e de gaz support et la quantit´e de gaz principal introduits dans la chambre plasma. G´en´eralement, pour fournir assez d’´electrons au plasma, la quantit´e de gaz support (ici, l’oxyg`ene) est d’environ 8 `a 10 fois plus importante que la quantit´e de gaz principal.
• Puissance HF On peut faire la varier la puissance des micro-ondes que l’on introduit dans la chambre pour ainsi chauffer de plus en plus les ´electrons, la plage de variation va de 1 `a 2000 W. N´eanmoins, la puissance optimale se situe vers 400 W, si l’on va au-del`a de 400 W les performances de la source ne sont plus am´elior´ees. Ce ph´enom`ene s’interpr`ete [20] par le fait qu’`a partir d’une certaine puissance les ´
electrons acqui`erent une vitesse transversale trop ´elev´ee pour rester confin´es dans la bouteille magn´etique, ils quittent donc le plasma qui n’a plus assez d’´electrons pour ioniser les atomes.
• Piston d’accord HF - plasma On peut faire varier la position d’un piston (tuner), situ´e `a l’int´erieur d’un cube de cuivre `a l’arri`ere de la source. Le cube a pour but de r´efl´echir dans l’axe de la source les micro-ondes qui sont inject´ees perpendiculairement `a celui ci. Selon la position du piston un bon couplage est obtenu entre les micro-ondes et les ´electrons du plasma.
• Soleno¨ıde Le sol´eno¨ıde permet de focaliser le faisceau et son point focal se situe apr`es le dipˆole magn´etique. Le champ magn´etique pro-duit par ce sol´eno¨ıde peut varier de 0 `a 400 mT. Il est ajout´e pour maximiser le courant.
• Electrodes d’extraction Comme nous l’avons d´ej`a fait remarquer, nous avons la possibilit´e de modifier la position des ´electrodes d’extraction, cela a un impact important sur l’intensit´e du faisceau extrait. Lors de nos exp´eriences la source ´etait soumise `a un potentiel de 14 kV et la seconde ´electrode est mise `a la masse.
• Electrode de polarisation Nous rappelons qu’en appliquant une tension n´egative sur l’´electrode de polarisation nous fournissons ainsi des ´electrons au plasma. Nous pouvons optimiser cet apport d’´electrons en faisant varier la valeur de la tension appliqu´ee, cette tensions peut aller jusqu’`a plusieurs centaines de volts. Aussi, en faisant varier de quelques millim`etres la position axiale de l’´electrode de polarisation par rapport `a la chambre plasma on peut augmenter sensiblement la quantit´e et la stabilit´e du courant.
Courants d’ions Argon `a 14 kV avec une chambre en cuivre Nous avons optimis´e la source pour obtenir un courant d’ions Ar13+ avec une puissance HF optimale de 400W. La tension d’extraction ´etait de 14 kV, nous avons utilis´e de l’oxyg`ene comme gaz support. Tous les jeux de fentes de la ligne ´etaient ouverts. Nous avons ensuite effectu´e un scan du champ magn´etique du dipˆole, ce qui nous permet de pr´esenter le spectre en ´etat de charge sur la figure 1.12. Nous observons la pr´esence de 57 nA d’ions Ar16+ mais la pr´esence d’ions argon hydrog´eno¨ıdes n’est pas visible sur ce spectre car le courant est trop faible et est difficile `a s´eparer.
Pour mettre en ´evidence la pr´esence d’ions argon hydrog´eno¨ıdes, nous avons fais interagir le faisceau d’ions avec une cible d’aluminium plac´ee dans la chambre d’interaction, l’objectif ´etant de d´etecter les photons X ´emis par la d´esexcitation radiative apr`es capture d’un ´electron pendant la collision de l’ion Ar17+ avec la cible. La d´etection de photons X dˆus `a la transition 1snp vers 1s2 de l’ion Ar16+ (argon h´eliumo¨ıde apr`es capture d’un ´electron) est alors une signature exclusive de la production d’ions Ar17+. Nous avons obtenu cette signature, la figure 1.15 montre le spectre enregistr´e sur un d´etecteur `a photon X plac´e dans la chambre interaction et ce lorsque un faisceau d’ion Ar17+entre en collision avec la cible d’aluminium. En prenant en compte la g´eom´etrie du probl`eme et les diff´erentes sections efficaces mis en jeu, on a pu remonter `a l’intensit´e du courant d’ion Ar17+ qui s’est
La source ECR SIMPA 29
Figure 1.12: Spectre en ´etats de charge de l’Argon obtenu avec une puis-sance HF de 400W `a 14 kV. Sch´ema issu de la th`ese N. Adrouche [1].
av´er´ee ˆetre de 116 pA. La difficult´e de produire de l’argon hydrog´eno¨ıde vient du fait que l’´energie d’ionisation du premier ´electron de la couche 1s est d’environ 4120 eV , la pr´esence d’´electrons dans le plasma ayant une ´
energie sup´erieure ou ´egale `a cette ´energie d’ionisation est donc n´ecessaire.
Courants d’ions Krypton `a 14 kV avec une chambre en cuivre Nous avons effectu´e le mˆeme travail avec des ions de Krypton en optimisant les param`etres afin d’atteindre un courant maximal d’ions Kr17+, la puis-sance HF optimale restant 400W. Nous pr´esentons en figure 1.14 le spectre en ´etat de charge associ´e. Le plus haut ´etat de charge ayant ´et´e mesur´e est le Kr24+, avec un courant de 110 nA. La pr´esence d’´etats de charge aussi ´
elev´es s’explique par le fait que les ´energies d’ionisation de la couche 3s du krypton sont inf´erieures `a 1200 eV . Il est donc plus ais´e de produire des ions Kr24+ que des ions Ar17+.
Figure 1.13: D´etection de l’ion Ar17+ avec le d´etecteur `a photons X plac´e dans la chambre d’interaction `a 14 kV. Sch´ema issu de la th`ese N. Adrouche [1].
Performances en Extraction de la source SIMPA `a 4.2 kV
et avec une chambre plasma en aluminium
Dans cette partie, nous allons d´ecrire bri`evement les performances de la source SIMPA avec une tensions d’extraction `a 4.2kV et une chambre plasma en aluminium. En effet, notre pi`ege `a ions fonctionne de mani`ere op-timale avec des ions d’une ´energie cin´etique de l’ordre de quelques kilo volts. De plus, le pi`ege est bien caract´eris´e avec des ions d’une ´energie cin´etique de 4.2 keV. C’est pour cela, que nous utilisons une tension d’extraction de 4.2 kV. Notre objectif en rempla¸cant la chambre en cuivre par une chambre alu-minium ´etait d’obtenir de plus haut ´etats de charges, en effet l’aluminium est connu pour ´emettre facilement des ´electrons secondaires. Ces r´esultats ont ´et´e obtenus pendant ma troisi`eme ann´ee de th`ese . Nous avons pu tester la source avec des gaz d’Argon et de Krypton, le gaz support ´etant de l’Oxyg`ene.
Nous ne d´ecrirons pas ici en d´etail la ligne de transport des ions qui est l´eg`erement diff´erentes de celle utilis´ee lorsque nous ´etudions la source
La source ECR SIMPA 31
Figure 1.14: Spectre en ´etats de charge du Krypton obtenu avec une puis-sance HF de 400W `a 14 kV. Sch´ema issu de la th`ese N. Adrouche [1].
`
a 14 kV. La seule diff´erence est que le pi`ege `a ions et des r´eductions de conductances ont ´et´e rajout´es avant la cage de Faraday. Le lecteur trouvera une description pr´ecise de cette nouvelle ligne dans le chapitre 4, section 4.1A.
Les figures 1.15 et 1.16 montrent le spectre en ´etat de charge obtenu pour respectivement des ions Argon et des ions Krypton. Dans le cas de l’Argon, la puissance HF ´etait de 72W et la tension de l’´electrode de polarisation ´
etait de 120V. Pour le Krypton, la puissance HF ´etait de 146W et la tension de l’´electrode ´etait de 215W. Grˆace `a la chambre en aluminium, il n’est plus n´ecessaire d’utiliser une puissance HF sup´erieure `a 150 W pour obtenir de hauts ´etats de charges. N´eanmoins, le fait d’extraire `a seulement `a 4.2 kV diminue d’environ par 10 les courants extraits par rapport `a une extraction `
a 14kV. Les spectres montrent qu’il est possible d’obtenir 800 nA de Kr22+
(´etat de charge maximal obtenu) et 300 nA de Ar13+. Le spectre de Krypton de la figure 1.17 met en ´evidence la pr´esence des isotopes du Krypton, par exemple pour l’ion Kr14+, on voit les pics associ´es des isotopes 82Kr14+
,
Figure 1.15: Spectre en ´etats de charge de l’Argon obtenu avec une puis-sance HF de 72W `a 4.2 kV et une chambre plasma en aluminium.
Figure 1.16: Spectre en ´etats de charge du Krypton obtenu avec une puis-sance HF de 146W `a 4.2 kV et une chambre plasma en aluminium.
Conclusion 33
83Kr14+ 84Kr14+
86Kr14+ 82Kr14+
Champ du dipôle magnétique (Gauss)
Courant (
uA
)
Figure 1.17: Spectre en ´etats de charge du Krypton `a 4.2 keV mettant en ´
evidence la pr´esence dans le plasma des diff´erents isotopes du Krypton.